蚌埠三水厂滤池自动控制系统改造

--262010年第31期（总第166期）NO.31.2010（CumulativetyNO.166）摘要：蚌埠中环水务有限公司第三自来水厂始建于上世纪80年代后期。随着自动化技术的不断发展，原有系统已越来越不适应现在的自动化技术要求。为保证安全供水，文章对滤池的自控系统进行了升级改造。关键词：自动控制系统；滤池改造；上位机；PLC主站中图分类号：TU991　　　　　　文献标识码：A文章编号：1009-2374（2010）31-0026-02蚌埠第三自来水厂设计供水能力为40万m3/d，目前日供水量约为20万吨左右。整个工程分四期建造。采用混凝、沉淀、过滤、消毒等常规水处理工艺。设有8组平流沉淀池，48组滤池。两座一级泵站，两座二级泵站。限于当时的经济技术条件，仅在滤池工艺中实施了自动控制系统。整个控制系统分两组独立运行(一、二期为一组；三、四期为一组)。每组设PLC主站一台(西门子S5-115U，负责冲洗泵的运行控制)、上位机电脑一台及若干PLC分站(S5-95U，控制单个滤池运行)。主站PLC及分站PLC均具备手动、自动控制功能。上位机电脑安装Windows95操作系统及INDIGAL工业组态软件。随着计算机及信息技术的快速发展，极大地促进自动控制技术的进步。目前在大中城市新建水厂中都具备较高的自动控制水平。同时在一些老水厂中也都不同程度地进行了自动化的改造。蚌埠三水厂滤池自控系统的水平尚处于上世纪八十年代后期的水平，由于软硬件不断的更新换代，对原有系统的维护也越来越困难。因此对原有系统进行改造已迫在眉睫。在对同行业的现状进行调研及对各种方案进行充分分析比较后，我公司于2009年2月开始对一、二期滤池的自控系统实施了升级改造。1　系统方案目前，在自动控制领域，PLC以其功能强大、安全可靠、技术成熟等特点仍占据主导地位。随着技术的进步，PLC的功能还在不断发展，并能方便地与其它计算机联网通讯。本着节约成本、技术先进、安全可靠的原则，并充分利用原有现场设备，本次改造仍以PLC作为整个控制系统的核心设备。采用工控机+PLC主站+PLC从站模式作为整个控制系统的控制层和设备层，同时扩充管理层，形成完整的三层控制网络。系统架构采用C/S模式，并与企业的管理信息系统(MIS)实现有机的结合，体现实用性、协调性和先进性相统一。改造后的自控系统是基于现代先进控制思想的分布式计算机控制系统(即集散型控制系统)，它集成了计算机技术、高性能PLC及智能化仪表的各自特点于一身，使其在水厂的运行控制、设备管理等方面发挥了巨大的作用。采用该结构可使生产过程中的信息能够集中管理，以实现整体操作、维护、管理和优化；同时，也使得控制危险分散，提高系统可靠性。2　系统结构2.1　系统逻辑结构整个系统的逻辑结构采用三层网络系统：第一层：信息管理层：由操作员站、工程师站、服务器、管理网交换机、工业以太网交换机和打印机等组成的控制设备构成。采用基于IEEE802.3标准的100Mbps以太网星型网络拓扑结构。第二层：控制层：由工业控制计算机和工业以太网交换机组成。采用基于IEEE802.3标准的全双工100Mbps快速以太环网实现中控室与现场PLC主站之间通讯。传输介质采用多模光缆。第三层：设备层：指现场PLC主站与下属PLC子站之间、现场PLC主站与第三方厂商成套设备配套控制装置之间通讯：PLC主站与下挂PLC子站之间有线网络采用PROFUBUSDP网络，通信媒介为屏蔽双绞电缆。图1网络拓扑图2.2　主要硬件配置操作员工作站：研华原装，IPC610/6010/P43.0/4G/250G蚌埠三水厂滤池自动控制系统改造耿光辉（蚌埠市中环水务有限公司，安徽蚌埠233000）--27/DVD/K+M/21″2台；工程师工作站：联想启天M7000/Q94002.6G/2G/32OG/DVD/19″1台；数据库服务器：戴尔PE2900，5U塔式，IntelXeonE54052.0GHz，G2243SW1台；PLC主站：西门子S7-300系列，1套，PS3075A/CPU314/DI16x24V3组/DO16x24V0.5A2组/AI8x12Bit/CP343-1/CP342-5；PLC子站：西门子S7-200系列，20套，CUP226/EM223/EM231/EM277；以太网交换机：KIEN2000-2M，2光口6电口，支持环网4台。2.3　软件配置服务器：WindowsServer2003、SQLServer2005、SIMATICWinCC6.2(服务器版)；工程师站：WindowsXPProfessinal、SIMATICSTEP7ProfessinalEdition2006、step7MicroWINv4.0；操作人员工作站：WindowsXPProfessinal、SIMATICWinCC6.2(工作站版)。3　软件设计及功能软件设计主要包括上位监控计算机的软件设计、PLC主站的软件设计、单元滤池PLC子站的软件设计。3.1　上位机软件设计上位机软件包括服务器软件及操作员工作站软件。开发平台均为SIMATICWinCC6.2。服务器软件实现整个系统的数据归档、画面组态、报警记录等功能。操作员工作站通过组态软件提供人机界面，操作人员通过操作工控机实现对现场设备的控制，完成特定的操作要求。同时工控机还具备信息查询、报警提示、曲线浏览、报表打印等功能。3.2　PLC主站软件设计PLC主站由两套S7-300PLC组成，分别控制两组滤池。本部分软件采用SIMATICSTEP7ProfessinalEdition2006开发。实现的功能是：一方面通过PROFIBUSDP网络与单池PLC子站交换信息，另一方面又通过快速以太网与上位机交换信息；对单池冲洗请求进行排队调度；完成对冲洗泵的手动及自动控制；对冲洗流量及进水水位实时监测，对流量及水位异常及时报警，并进行保护控制。3.3　PLC子站程序设计为避免由一台PLC对整个滤池系统进行自动控制而引起的故障相对集中的弊端，本系统每一格滤池配备一套控制系统，硬件及软件彼此独立，最大限度地提高了系统的可靠性。所有PLC通过PROFIBUS总线与PLC总站连接起来，使各个滤池相互协调，从而实现整个滤池系统的自动运行。该站主要完成过滤及反冲两项控制任务，滤池工作状态分为3种：自动控制、手动控制、停池。(1)自动控制：分过滤和反冲洗两种状态。在过滤状态，控制程序根据设定的水位实现恒水位过滤。程序的关键是水位控制。一般的PLC液位控制，是对调节阀进行的，因而可以采用PID控制算法。但滤池水位的要求并不十分严格，允许存在相对较大的偏差。因而从节约成本的角度出发，可以不使用调节阀，而采用普通电动阀作为清水阀来调节液位。具体调节过程可以采用经验算法：对水位计的采样值与设定值进行比较，当水位低于设定下限且仍在下降时，给出关阀命令；当水位高于设定上限且仍在上升时，给出开阀命令。开关阀的时间间隔及每次开关阀的时间长短应根据水位控制精度及阀门全开或全关的时间通过现场试验确定。本系统中开关阀的时间间隔选为30秒，每次开关阀时长为阀门全开或全关时长的五十分之一。实际运行表明，水位误差在2%左右，满足运行要求。在冲洗状态，根据滤池反冲洗周期或水头损失两个参数来启动冲洗过程。这两个条件是并列的，其中任何一个条件满足即转入反冲洗状态。具体过程是：当条件满足时向上位机申请冲洗，一旦上位机允许冲洗，即进行冲洗准备：开进水虹吸破坏阀，停止进水，待水位降低到一定程度后关清水阀，再打开排水虹吸真空阀及冲洗阀。准备就绪即通知PLC总站开始冲洗。PLC总站接到冲洗指令后，先开冲洗阀，再启动反冲洗泵。结束时，先关反冲洗泵，再关冲洗阀。同时向单元PLC子站发出冲洗结束指令，重新转入过滤状态。(2)手动控制：在手动控制状态，可以在现场通过控制柜上的按钮，也可以通过上位机的图形操作面板分别控制各种阀门的状态。此种工作模式，主要是为了方便设备的维修调试，同时也可以在上位机或通讯系统出现故障时，仍可以通过手动操作来完成滤池的冲洗任务。(3)停池：在停池状态下，系统自动使各种阀门处于非工作状态，以方便滤池检修等生产工作。4　结语整个系统的改造历时一年，由于是自行开发，并且充分利用了原有的控制机柜及部分通讯线路，节约资金55%。系统经过试运行检验，达到设计要求。通过以上实践，我们体会到利用当今先进的技术为城市供水事业提供有力支持很重要，不仅可以节约大量的资金，同时也提高了我们的技术水平，对设备的维护和完善也更加方便。